2º Lei da Termodinâmica. Introdução Enunciado da 2º lei Rendimento de uma máquina térmica Ciclo de Carnot

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1 2º Lei da Termodinâmica Introdução Enunciado da 2º lei Rendimento de uma máquina térmica Ciclo de Carnot

2 Introdução Chamamos, genericamente, de máquina a qualquer dispositivo que tenha por finalidade transferir ou transformar energia. As máquinas térmicas são dispositivos em que há troca de energia na forma de calor e também há troca de energia com o meio externo na forma de trabalho, em um processo cíclico. Esses dispositivos têm a finalidade de obter energia mecânica a partir de trocas de calor, ou obter troca de calor a partir do fornecimento de energia mecânica. Os motores dos automóveis, as geladeiras e os aparelhos de ar condicionado são exemplos de máquinas térmicas.

3 Enunciado da 2º lei Se colocarmos dois objetos a diferentes temperaturas dentro de um recipiente de paredes adiabáticas, o calor começará a fluir do mais quente para o mais frio até que eles atinjam o equilíbrio térmico. O curioso é que, se certa quantidade de calor fosse doada pelo mais frio e integralmente recebida pelo mais quente, não haveria qualquer violação do Princípio da Conservação da Energia. Apesar disso, espontaneamente, jamais vemos isso ocorrer. A 2ª lei da Termodinâmica trata da remota probabilidade de ocorrer o fato mencionado, identificando o sentido mais provável em que os fenômenos naturais acontecem.

4 Enunciado da 2º lei Uma das formas de se enunciar essa lei é a seguinte: Apesar de não ser impossível, é bastante improvável que o calor seja transferido de forma espontânea de um corpo mais frio para outro mais quente. Com o intuito de explicar melhor o funcionamento de máquinas térmicas, em que o calor é convertido em outras formas de energia, essa lei enunciada de outra maneira por Lord Kelvin:

5 Enunciado da 2º lei É impossível construir uma máquina que, operando em ciclos, retire o calor de uma única fonte e o transforme integramente em trabalho. Essa expressão da 2º Lei da Termodinâmica apenas colabora o que já comentamos a respeito do sentido irreversível com que ocorrem transformações espontâneas de energia.

6 Enunciado da 2º lei máquina térmica A seguir, vamos fazer um esquema de uma térmica, operando conforme manda a 2º Lei da Termodinâmica. Uma fonte quente está a uma temperatura T 1 e cede uma quantidade Q 1 de calor à máquina. Esta realiza trabalho de valor τ Rejeita uma quantidade Q 2 de calor a uma fonte fria, que está a uma temperatura T 2.

7 Enunciado da 2º lei máquina térmica Aplicando-se o Princípio da Conservação, matematicamente podemos dizer que Q 1 = τ + Q 2 ou que τ = Q 1 - Q 2

8 Rendimento de uma máquina térmica Quando estudamos a potência de máquinas na Mecânica, vimos que o rendimento delas pode ser obtido fazendo-se a divisão entre a potência útil e a total. Não há mudança no resultado obtido, se quisermos calcular o rendimento de uma máquina térmica pela razão entre a energia que ela realmente aproveita (trabalho) e a energia total que ela recebe da fonte quente (Q 1 ). η = τ Q 1 = Q 1 Q Q 1 2 η = τ Q 1 Q = 1 Q 2 1

9 Física e tecnologia Uma das mais importantes invenções do ser humano é o motor de combustão interna uma máquina termodinâmica que transforma calor em energia mecânica. A seguir, vamos analisar de forma sucinta o chamado motor de quatro tempos. Com pistões, o motor comprime uma mistura de ar e combustível dentro de um cilindro. Em certo momento a vela de ignição dispara uma faísca, iniciando a combustão dessa mistura. A queima do combustível provoca um aumento de temperatura e pressão, permitindo a realização de trabalho. Com isso os pistões são empurrados e, por intermédios das bielas, fazem o virabrequim girar. Como resíduo da combustão, gases são expelidos pelo escapamento, e o ciclo recomeça. Os quatro tempos de um motor são:

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14 Ciclo de Carnot O físico francês Sadi Carnot ( ) idealizou, em 1824, a transformação cíclica capaz de proporcionar rendimento máximo para uma máquina térmica, visto que seu valor jamais seria de 100% de acordo com a 2º Lei da Termodinâmica. Esse ciclo apresenta duas transformações isotérmicas (expansão AB e compressão CD) intercaladas ou duas transformações adiabáticas (expansão BC e compressão DA).

15 Ciclo de Carnot O rendimento no Ciclo de Carnot, ou seja, o máximo que pode ser atingido por uma máquina térmica, é calculado conforme vimos há pouco. No entanto, nesse tipo de transformação cíclica, as quantidades Q 1 e Q 2 de calor, respectivamente, fornecidas pela fonte quente e rejeitada à fonte fria são diretamente proporcionais às temperaturas absolutas dessas fontes. Assim, podemos escrever o rendimento de uma máquina que opera de forma ideal das seguintes formas: Q η = 1 η Q 2 ou = 1 1 T T 2 1

16 Exercícios Resolvidos 1. Em uma máquina térmica são fornecidos 3kJ de calor pela fonte quente para o início do ciclo e 780J passam para a fonte fria. Qual o trabalho realizado pela máquina, se considerarmos que toda a energia que não é transformada em calor passa a realizar trabalho? A segunda lei da termodinâmica enuncia que: Então, substituindo os valores na equação, temos:

17 Exercícios Resolvidos 2. Qual o rendimento da máquina térmica do exercício anterior? Sendo o rendimento de uma máquina térmica dado por: Substituindo os valores na equação: Ou, em percentual:

18 Exercícios Resolvidos 2. Uma máquina que opera em ciclo de Carnot tem a temperatura de sua fonte quente igual a 330 C e fonte fria à 10 C. Qual é o rendimento dessa máquina? Sendo o rendimento de uma máquina térmica que opera em ciclo de Carnot: Mas as temperaturas utilizadas devem estar em escala absoluta, logo, convertendo-as: Aplicando estes valores na equação: Ou, em percentual:

19 Resolução de Atividades Página 41 a 43 Página 47 e 48